اوسیلاتورها: آنچه هستند؟ (تعریف، انواع و کاربردها)
اوسیلاتور چیست؟
اوسیلاتور، مداری است که بدون هیچ ورودی، موج متناوب پیوسته و تکراری تولید می‌کند. اساساً اوسیلاتورها جریان یک‌جهتی را از منبع DC به موج متناوب با فرکانس مورد نظر (که توسط مولفه‌های مدار تعیین می‌شود) تبدیل می‌کنند.
اصل کار اوسیلاتورها را می‌توان با تحلیل رفتار مدار LC که در شکل ۱ زیر نشان داده شده است، درک کرد. این مدار شامل یک القایی L و یک خازن C کاملاً شارژ شده است. در ابتدا، خازن شروع به تخلیه از طریق القایی می‌کند که باعث تبدیل انرژی الکتریکی به میدان الکترومغناطیسی می‌شود که در القایی ذخیره می‌شود. هنگامی که خازن کاملاً تخلیه شود، جریانی در مدار وجود نخواهد داشت.
با این حال، تا آن زمان، میدان الکترومغناطیسی ذخیره شده باعث ایجاد EMF معکوس می‌شود که باعث جریان جریان در مدار در همان جهت قبلی می‌شود. این جریان در مدار تا زمانی که میدان الکترومغناطیسی فروپاشد ادامه دارد که باعث تبدیل دوباره انرژی الکترومغناطیسی به شکل الکتریکی می‌شود و چرخه تکرار می‌شود. با این حال، خازن اکنون با قطبیت مخالف شارژ شده است، بنابراین یک موج نوسانی به عنوان خروجی بدست می‌آید.
با این حال، نوسانات ناشی از تبدیل بین دو شکل انرژی نمی‌توانند برای همیشه ادامه داشته باشند زیرا تحت تأثیر اتلاف انرژی به دلیل مقاومت مدار قرار می‌گیرند. به عنوان نتیجه، دامنه این نوسانات به تدریج کاهش می‌یابد تا صفر شود که آن‌ها را میرا می‌کند.
این نشان می‌دهد که برای بدست آوردن نوسانات پیوسته و با دامنه ثابت، باید اتلاف انرژی را جبران کرد. با این حال، باید توجه داشت که انرژی تامین شده باید دقیقاً کنترل شود و برابر با انرژی اتلاف شده باشد تا نوسانات با دامنه ثابت بدست آید.
زیرا اگر انرژی تامین شده بیشتر از انرژی اتلاف شده باشد، دامنه نوسانات افزایش می‌یابد (شکل ۲a) که منجر به خروجی تحریف شده می‌شود؛ در حالی که اگر انرژی تامین شده کمتر از انرژی اتلاف شده باشد، دامنه نوسانات کاهش می‌یابد (شکل ۲b) که منجر به نوسانات غیرقابل تحمل می‌شود.
در عمل، اوسیلاتورها هیچ چیزی جز مدارهای تقویت کننده با بازخورد مثبت یا بازخورد تولیدی نیستند که در آن بخشی از سیگنال خروجی به ورودی بازخورد می‌شود (شکل ۳). در اینجا تقویت کننده شامل یک عنصر فعال مانند ترانزیستور یا Op-Amp است و سیگنال بازخورد در فاز برای حفظ (تحکیم) نوسانات با جبران اتلاف‌ها در مدار مسئول است.
هر گاه تغذیه روشن شود، نوسانات در سیستم به دلیل نویز الکترونیکی موجود در آن آغاز می‌شود. این سیگنال نویزی دور مدار حرکت می‌کند، تقویت می‌شود و به سرعت به یک موج سینوسی با فرکانس واحد همگرا می‌شود. عبارت برای کسب میزان بازخورد بسته اوسیلاتور نشان داده شده در شکل ۳ به صورت زیر است:
که در آن A میزان ولتاژ تقویت کننده و β میزان بازخورد شبکه است. اگر Aβ > 1 باشد، نوسانات در دامنه افزایش می‌یابد (شکل ۲a)؛ در حالی که اگر Aβ < 1 باشد، نوسانات میرا می‌شود (شکل ۲b). در عوض، Aβ = 1 منجر به نوسانات با دامنه ثابت (شکل ۲c) می‌شود. به عبارت دیگر، این نشان می‌دهد که اگر میزان بازخورد حلقه کوچک باشد، نوسانات متوقف می‌شود، در حالی که اگر میزان بازخورد حلقه بزرگ باشد، خروجی تحریف می‌شود؛ و فقط اگر میزان بازخورد واحد باشد، نوسانات با دامنه ثابت خواهد بود که منجر به مدار نوسانی خودپایدار می‌شود.
نوع اوسیلاتور
انواع مختلفی از اوسیلاتورها وجود دارد، اما می‌توان آن‌ها را به دو دسته اصلی تقسیم کرد – اوسیلاتورهای هارمونیک (همچنین به عنوان اوسیلاتورهای خطی شناخته می‌شوند) و اوسیلاتورهای آرامشی.
در یک اوسیلاتور هارمونیک، جریان انرژی همیشه از مولفه‌های فعال به مولفه‌های غیرفعال است و فرکانس نوسانات توسط مسیر بازخورد تعیین می‌شود.
در حالی که در یک اوسیلاتور آرامشی، انرژی بین مولفه‌های فعال و غیرفعال مبادله می‌شود و فرکانس نوسانات توسط ثوابت زمانی شارژ و تخلیه در فرآیند تعیین می‌شود. علاوه بر این، اوسیلاتورهای هارمونیک خروجی موج سینوسی با کمترین تحریف تولید می‌کنند در حالی که اوسیلاتورهای آرامشی موج‌های غیرسینوسی (مثلثی، مربع یا پله‌ای) تولید می‌کنند.
انواع اصلی اوسیلاتورها شامل:
اوسیلاتور پل وین
اوسیلاتور RC فازی
اوسیلاتور هارتلی
اوسیلاتور کنترل شده ولتاژ
اوسیلاتور کولپیتس
اوسیلاتور کلپ
اوسیلاتورهای کریستال
اوسیلاتور آرمстрانگ
اوسیلاتور جمع‌کننده تنظیم شده
اوسیلاتور گان
اوسیلاتورهای پیوندی
اوسیلاتورهای حلقه‌ای
اوسیلاتورهای دایناترون
اوسیلاتورهای میسنر
اوسیلاتورهای نوری-الکترونیکی
اوسیلاتورهای پیرس
اوسیلاتورهای رابینسون
اوسیلاتورهای تری-تت
اوسیلاتورهای پیرسون-انسون
اوسیلاتورهای خط تأخیر
اوسیلاتورهای رویر
اوسیلاتورهای پیوند الکترونی
اوسیلاتورهای چند موج
اوسیلاتورها می‌توانند به انواع مختلفی بر اساس پارامتر مورد نظر تقسیم‌بندی شوند، مانند مکانیسم بازخورد، شکل موج خروجی و غیره. این انواع تقسیم‌بندی در زیر آورده شده‌اند:
طبقه‌بندی بر اساس مکانیسم بازخورد: اوسیلاتورهای با بازخورد مثبت و اوسیلاتورهای با بازخورد منفی.
طبقه‌بندی بر اساس شکل موج خروجی: اوسیلاتورهای موج سینوسی، اوسیلاتورهای موج مربعی یا مستطیلی، اوسیلاتورهای مسحوق (که موج خروجی شکل پله‌ای تولید می‌کنند) و غیره.
طبقه‌بندی بر اساس فرکانس سیگنال خروجی: اوسیلاتورهای فرکانس پایین، اوسیلاتورهای صوتی (که فرکانس خروجی آن‌ها در محدوده صوتی است)، اوسیلاتورهای فرکانس رادیویی، اوسیلاتورهای فرکانس بالا، اوسیلاتورهای فرکانس بسیار بالا، اوسیلاتورهای فرکانس فوق العاده بالا و غیره.
طبقه‌بندی بر اساس نوع کنترل فرکانس استفاده شده: اوسیلاتورهای RC، اوسیلاتورهای LC، اوسیلاتورهای کریستال (که از یک کریستال کوارتز استفاده می‌کنند تا موج خروجی با فرکانس ثابت تولید کنند) و غیره.
طبقه‌بندی بر اساس طبیعت فرکانس موج خروجی: اوسیلاتورهای فرکانس ثابت و اوسیلاتورهای فرکانس متغیر یا تنظیم‌پذیر.
کار
